微脉冲等离子体推力器放电过程和性能初探

针对平板烧蚀型微脉冲等离子体推力器（μ PPT）,开展了放电过程研究和性能表征。根据放电过程的电学测量和等离子体区域的发光行为分析,研究了μ PPT的基本放电特点和放电形态演变。从空间分布看,μ PPT放电空间可分为3个区域（阴极区、弧柱区和阳极区）,随着放电间隙的减少,阳极区逐渐消失。从时间分布看,μ PPT放电是由多个幅度不同的脉冲放电构成,放电回路和放电间隙的阻抗分布决定放电脉冲的数量,一定条件下可以发生单脉冲放电。根据μ PPT等离子体区的电流片模型,估算了μ PPT元冲量和推力等基本性能参数。结果表明,放电间隙和烧蚀量对μ PPT性能参数有重要的影响,相同脉冲放电能量时,放电间隙越大,元冲量越大,烧蚀量也越大,导致比冲越小。放电时空形态是影响μ PPT的元冲量和比冲的关键因素,因此,开展放电回路和放电间隙的阻抗优化研究是提高μ PPT性能的有效途径。     

新型固体工质脉冲等离子体推力器试验研究

脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster，PPT）因其推力小、质量轻、功率低等特点，被认为是微小卫星执行某些推进任务的电推进装置之一，但因效率低下，一直为人所诟病。针对这一现状，将聚四氟乙烯（PTFE）掺入质量配比为2%、5%（6%）、10%和15%的铜和碳,制成掺铜工质（PTFE-Cu）和掺碳工质（PTFE-C）。在3种不同放电能量（1J、1.44J、2.25J）下，测量PPT使用这些工质工作时的电压、电流和脉冲烧蚀质量，并根据结果估算PPT的元冲量、比冲、效率等推进性能。此外，还基于发射光谱理论，对等离子体的种类、特性进行了诊断研究。研究结果表明，烧蚀质量随掺杂量的增加而增加；元冲量随着掺碳量的增加而增加，PTFE-Cu-10%的元冲量最大，为56.47(μN?s)；使用PTFE-C-2%和PTFE-Cu-10%时，PPT的性能最好；掺碳和铜在一定程度上促进了PPT的电离过程，进而提高了推力器效率。     

μ-PPT等离子体电子密度氢光谱诊断技术

为了能够表征推进剂烧蚀产物的有效加速度及推进剂利用率,需要更准确地测量等离子电推力器(PPT)内等离子体的基础状态参数(电子密度、电子温度),提出了基于光谱线Stark加宽分析,提高PPT放电通道内等离子体电子密度诊断精度的一种方法。针对来自于推进剂的C原子谱线,测量线型函数和半高全宽(FWHM),可以计算电子密度,但要求等离子体电子密度需足够高。当电子密度低于10~(16)cm~(-3),此方案的测量可靠性便显著降低。为此,提出了通过向放电空间引入微量含氢气体作为示踪剂,测量H原子谱线线型和半高全宽进而诊断电子密度的技术方案。相比于C原子谱线诊断方案,氢方案可以大幅度提高电子密度测量下限至10~(13)cm~(-3),因此能够显著改进电子密度测量准确性和可靠性。     

基于CFD的10 cm氙离子推力器阳极推进剂供给方式优化

离子推力器阳极推进剂在放电室内的浓度分布及其变化梯度的设计是放电室放电模式可靠性设计的关键技术之一，直接影响到放电室内推进剂的电离效率及放电稳定性。针对航天器在轨多目标飞行任务对10 cm氙离子推力器的应用需求，为提高10 cm氙离子推力器放电室空腔内阳极推进剂供给的均匀性，实现推进剂利用率的有效提升，运用计算流体动力学（CFD）理论，建立了包括阳极推进剂、进气管和分配环在内的CFD阳极环模型，研究了未发生气体放电情况下，不同供给方式时阳极环内阳极推进剂的压强与流速变化情况。在此基础上，分析了阳极推进剂供给方式对10 cm氙离子推力器放电室空腔内阳极推进剂分布特性的影响作用关系。将优化前后的阳极环在10 cm氙离子推力器中进行了性能对比，结果表明:优化后阳极推进剂电离损耗由277.9 W/A降至241.2 W/A，放电室阳极推进剂利用率由91.7%提升至98.4%，验证了CFD计算结果的正确性与方法的可行性。研究结果为离子推力器放电室拓扑结构设计与优化提供了方法。      

一种新型Z-Pinch PPT的设计和试验

提出一种基于Z-Pinch原理但无需火花塞而自点火新型微脉冲等离子体推力器（Z-Pinch SI PPT）。为了降低推力器的点火电压以及去掉尺寸减小和轻量化的限制,采用点火和放电一体化的改性聚四氟乙烯为推进剂,两个电极分别为钉状阳极和中心有孔的阴极。相比于传统Z Pinch PPT和平行板脉冲等离子体推力器,该推力器的优点是没有活动部件、火花塞以及为火花塞供电的电源,结构更加简单紧凑。目前研制的该型推力器本体尺寸包络仅有21mm左右,质量为15g。在保持较大推功比优势基础上,点火放电的电压峰值仅为同样自点火的同轴PPT的24%,气体PPT的2.4%。真空舱内多次点火实现累计脉冲1万多次的试验结果表明,该推力器点火电压为480V,推功比为17.83μN/W,平均推力为85.6μN。     

放电电压和屏栅电压对离子推力器性能的影响

利用试验和数值模拟相结合的方法研究6 cm Kaufman离子推力器放电电压和屏栅电压的变化对其工作性能的影响。试验中,离子推力器使用氩气作为推进剂,测量了多组不同工况下的性能参数。此外,基于Goebel的理论模型模拟了放电电压对束流电流和推进剂利用率的影响;采用单元内粒子 蒙特卡罗碰撞（PIC-MCC方法模拟屏栅电压对束流电流、推进剂利用率和加速栅极电流的影响。试验和数值模拟结果一致,发现当放电电压逐渐增大时,引出的束流电流和推进剂利用率先增加然后趋于稳定;当屏栅电压逐渐增大时,引出的束流电流和推进剂利用率先增加然后趋于稳定,加速栅极电流先减小后趋于稳定。研究可以为提高多模式离子推力器的性能提供参考。     

脉冲等离子体推力器放电电离二维PIC建模与仿真

摘要： 针对脉冲等离子体推力器（PPT）的放电过程,利用粒子网格 蒙特卡洛（PIC MCC）方法建立仿真计算模型.以LES 6 PPT为例,加入电离碰撞进行电离仿真.通过粒子运动碰撞与电磁场耦合仿真计算得到电流与电路总电阻的变化规律,揭示了PPT放电过程中等离子体密度分布情况.通过对比不加入粒子预分布与加入粒子预分布的两种条件下的计算结果,得到了加入粒子预分布使带电粒子密度计算结果更接近实验结果的结论.根据PPT的工作过程,在放电之前推力器内存在等离子体,所以在仿真研究中应进行粒子的预分布.文中的研究方法对PPT的粒子方法模拟具有一定的参考意义.     

微阴极电弧推力器放电寿命特性研究

微阴极电弧推力器（micro cathode arc thruster，μCAT)在微纳卫星空间任务中有良好的应用前景，但寿命问题是目前制约其发展的重要因素。研制了自动数据采集系统，进行了不同放电频率下全寿命试验，观察分析了失效后阴极材料及导电薄膜的形貌变化。研究结果表明：推力器工作初期，放电特性为不稳定阶段，该阶段在μCAT的全寿命占比小于10%。薄膜电阻放电前期相对稳定，为百欧量级，在临近失效时迅速升高至千欧量级，峰值电流在临近失效时急剧下降直至失效。放电频率升高会使阴极坑区域热量累积，增强了导电薄膜破碎程度，导致推力器提前失效，寿命降低。电弧烧蚀位置分布不均匀，导致阴极利用率降低，是制约μCAT寿命的重要因素。     

脉冲等离子体推力器微推力测试技术的述评

对脉冲等离子体推力器(PPT)的微推力测试技术,并对几种典型的进行单脉冲冲量、平均推力等参数测量的推力测试系统和手段进行了描述和分析,对PPT微推力测试过程的细节进行了初步探讨,可为PPT微推力测试和研究提供有益参考。     

脉冲等离子体推力器电磁加速机理数值研究

为了对脉冲等离子体电磁加速机理有清晰的认识，为后续推力器性能的优化和产品的小型化提供理论基础,需要对脉冲等离子体推力器的特性进行数值研究。利用包含电容、电感、平行板电极、等离子体的一维集成电路模型,开展了脉冲等离子体推力器的数值模拟研究。通过改变初始放电电压和电极间距的大小，系统地研究了脉冲等离子体推力器的初始放电电压、电极间距对推力器电磁加速的影响。结果表明，在其他参数不变的情况下，推力器的推力、比冲、元冲量，以及等离子体的密度、温度随推力器初始放电电压的增加而增加；同样，增加电极间距也能够提高推力器的推力、比冲；然而，电极间的阻抗会随电极间距的增加而增加，导致推力器的点火难度也随之增加，因此脉冲等离子体的电极间距存在一个最优值。     

电弧推力器约束通道内流动特性数值模拟

约束通道对电弧推力器的性能有着重要的影响,文章采用基于局域热力学模型（LTE）的数值模拟方法对中等功率电弧推力器内等离子体流动进行了数值模拟,考察了电流、入口压力、约束通道尺寸及不同推进剂对约束通道内等离子体流动的影响,分析了约束通道内非均匀流动现象,最后对推力器的性能、效率等进行了讨论。计算结果表明,随着电流的增加电弧高温区变粗变长,随着入口压强的增加电弧高温区半径减小而长度增加,随着约束通道半径的减小电弧高温区变得细长,随着约束通道长度的增加高温区的长度增长而半径无明显变化,氢气的高温区明显小于氮气和氩气;约束通道内只有小部分气体通过高温区被电离,大部分气体沿着壁面附近的低温区流动;约束通道内焦耳热约占总焦耳热的60%~80%,主要受约束通道长度影响。     

脉冲等离子推力器羽流实验研究初探

脉冲等离子体推力器(Pulsed Plasma Thrusters,PPTs)具有体积小、结构简单、推力小、比冲高等特点,非常适用于目前正广泛开展研究的小型航天器的姿轨控系统,是电推进领域的研究热点之一。开展对PPTs羽流特性的研究是了解PPTs工作机理、分析其推力作用规律和探索性能提升方法的重要途径,本文对PPTs进行了概述,综述并分析了PPTs的羽流特点、研究现状,对实验中涉及到的羽流测量参数及方法进行了概括,对相关的等离子体诊断方法进行了重点介绍。     

微等离子体转化二氧化碳发射光谱诊断

火星大气层的主要成分为二氧化碳，如果能够利用低温等离子体方法高效分解二氧化碳，使其转化为氧气和一氧化碳加以利用，可以大幅降低航天员生命保障相关载荷长途运输的成本，进一步提高生命保障能力。低温等离子体放电过程中会产生大量活性组分，可以在数百度温度下实现二氧化碳的高效解离，是具有很大潜力的二氧化碳解离与转化方式。设计了一种尺度在亚毫米级、功率输入为数瓦的直流微槽等离子体反应器，可以在较低气体温度下实现二氧化碳分解。测量了反应器电流、功率等放电参数，采用发射光谱确定了体系中激发态组分，分析了激发态粒子谱线强度随输入电压、稀释气体比例等反应器工作参数变化，利用氮气分子振转谱带测量了等离子体放电区振动温度和气体温度。研究表明，添加氩、氦、氮气均可以增强二氧化碳的分解，添加氦气可以促进二氧化碳的电离过程。稀释气体激发态因具有高能量，可以通过潘宁解离通道增强二氧化碳分解。氦组分激发态的能量高于二氧化碳电离能，可以促进二氧化碳的电离反应。微等离子体内存在强烈的振动 平动非平衡现象：振动温度约为4400~4800K，而气体温度仅为450 ~600K，表明可以通过合理的放电和结构设计，定向将能量注入到振动态，从而进一步促进二氧化碳的振动解离。     

塞锥截短对塞式喷管性能影响的实验

为了研究塞锥截短对塞式喷管性能的影响,对截短率为80%、40%、30%和20%的塞式喷管进行了冷流实验.介绍了实验系统的组成和推力测量方式,得到了不同塞锥截短率的推力系数效率的高度特性曲线.实验结果表明:截短率越小,效率越低,不同截短率的效率差别随着压强比的增加而减小;随着截短率增大,截短率对效率的影响程度逐渐降低.截短率太小,性能损失较大;截短率太大,塞锥的尺寸增大,而性能提高却不明显.通常的取值范围是30%~40%.      

Design of an FPGA-based electronic flow regulator (EFR) for spacecraft propulsion system

This paper describes a scheme for electronically regulating the flow of propellant to the thruster from a high-pressure storage tank used in spacecraft application. Precise flow delivery of propellant to thrusters ensures propulsion system operation at best efficiency by maximizing the propellant and power utilization for the mission. The proposed field programmable gate array (FPGA) based electronic flow regulator (EFR) is used to ensure precise flow of propellant to the thrusters from a high-pressure storage tank used in spacecraft application. This paper presents hardware and software design of electronic flow regulator and implementation of the regulation logic onto an FPGA.